地球的內部有一種巨大的熱能。在從地表向下深入到地球內部的過程中，溫度會一點一點地上升，平均溫升為20～30℃/千米，地球中心的溫度約為6000℃。地熱資源按照它在地下儲存形式可以分為四大類:水熱資源、地壓資源、幹熱資源、熔岩資源。平時我們所說的地熱能就是離地表麵10千米以內的熱能。
第一節什麼是地熱能發電
地熱發電是一種新型的發電技術，它是利用地下熱水和蒸汽為動力源來進行發電的一種技術。其基本原理與火力發電類似，也是根據能量轉換原理，首先把地熱能轉換為機械能，再把機械能轉換為電能。從理論上說，地熱發電就是把地下的熱能轉變為機械能，進而將機械能轉變為電能的一種能量轉變過程，這一過程就叫地熱發電。
現在全世界的人們都麵臨著解決環境汙染和能源危機的問題。建築耗能在中國能源消耗中占有相當高的比例，中國傳統的空調係統，北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題，南方以自來水或環境空氣為冷源的製冷機組解決夏季製冷問題。有關於近期的資料顯示，我國采暖和空調的能耗相當於建築總能耗的55％，在相同的氣候條件下，我國的建築能耗相當於發達國家的2~3倍。因此，我國建設部提出，節能標準要在我國的新建建築中完整地實施，這樣一來就能減少50%的建築能耗。
隨著生活水平的提高，空調的負荷在一天一天增長。在炎熱的夏季，約有1／3的電網高峰負荷是用於空調製冷的，使許多地區用電高度緊張，拉閘限電頻繁。目前，中國房間空調器和單元式空調機的產量已達世界第一，中國建築業發展迅速，每年城市新增8~9億平方米的住宅建築和公共建築。隨著經濟和社會的快速發展，建築耗能一年比一年上升得快。像2004年的廣西建築能耗在全社會總能耗的20%以上，夏季空調高峰負荷已相當於在建的龍灘水電站540萬千瓦的滿負荷出力。如果不加控製，建築能耗將大幅增加，電力建設投資也會高達數百億元。同時，大約有4萬套的地源熱泵係統每一年進入美國的家庭，這說明了每年能有879×1011瓦的能量在這個規模下節省下來，這些節省下來的能量等於162個龍灘水電站所發的電。
一、生活熱水
一般亞熱帶地區是夏熱冬暖的分布區，它通常具有氣候潮濕、冬季氣溫變化大、夏季炎熱的特點，所以在這個地方，全年80%以上的時間都可以使用熱水洗澡。長期以來，各種熱水鍋爐和家庭熱水器為南方人解決生活熱水問題，既有其便利之處，又有各方麵不足和局限。燃煤鍋爐成本低，但汙染嚴重，一些城市已下文禁止使用燃煤鍋爐，要求改用燃油鍋爐，不過燃油價格越來越超出了人們所能承受的範圍，比如很多賓館的運行成本就超出了它們的經營能力；一些小型賓館采用燃氣熱水器，但其安全性令人擔憂，出現煤氣中毒，造成人員傷亡的事故時有發生。不過，還有一些單位采用太陽能和電熱輔助來進行供暖，但往往冬季的時候卻不用了，問題的焦點是，夏季氣溫高時熱水用量少，此時太陽能提供的熱水充足有餘;到了深秋、冬季、早春季節，氣候寒涼，太陽光照弱，熱水溫度不夠，尤其在每年的1、2、3月的時候，因為這一時期的氣候寒冷潮濕，陰雨連綿，偏偏這個時候的熱水需求量在一年中是最多的，這個時候的太陽能起不到任何作用，必須把電加熱作為主要的形式，然而因為它的耗電比較大，人們不能接受它的經濟花費。
二、夏季空調製冷
還有一種地區是夏熱冬暖地區，這個特征表現明顯的是兩廣地區。夏季炎熱，城市家庭中和辦公室現在已經離不開製冷空調，但隨著空調的普及，溫室氣體的排量越來越大，使得城市的環境溫度升高，一方麵，室外更加酷熱高溫，環境溫度的升高使空氣質量下降。還有一點，環境溫度的升高使空氣源熱泵的能效下降，造成很大的能耗，形成一個惡性循環。當前節能環保的重要工作就是減排溫室氣體、提高製冷能效比，這兩點要必須達到才能保證節能環保。
三、冬季采暖
人體對寒冷忍受程序的一個界線是16℃，如果達不到這一界線，人就感覺不到良好的舒適度。進入冬季以後，南方絕大多數地方的氣溫都會降至16℃以下，尤其南方冬季的寒冷，是一種濕冷，使人感到寒冷刺骨。隨著人們生活水平的日益提高和社會的發展，南方的人們越來越要求冬季采暖，這也是近年來電取暖器在南方有著暢銷勢頭的一個重要原因。但電取暖器和空氣源空調取暖能耗都較高，而且舒適性差。但南方取暖負荷相對北方要小得多，冬季供暖時間也較短。所以，要進行南方地區采用地源熱泵技術的供暖是很容易的事，它可以說是一種不錯的能源利用方式。
四、農業溫控需求
近年來，農業科學種養殖技術一直在普及和提高，高附加值的養殖業、種植業的發展都進入了一個快速的軌道，如溫控農業大棚、牧禽魚養殖等，這些農業技術要進一步發展，能源消耗成本低的溫控係統是要研究的。所以，南方城市與農村的發展是離不開製冷、采暖和供生活熱水的穩定的節能環保係統的。
在某些方麵，淺層地熱能、太陽能是一種低品位的能源，如果從分級用能原則方麵看的話，它們是滿足生活用能的最好資源。地源熱泵技術既開發利用了可再生的新能源——淺層地熱源，又利用了顯著節能的不可多得的新技術，具有開源和節能的雙重效果。被稱為21世紀的“綠色空調技術”。總結發現，站在戰略的角度，可以說利用淺層地熱能（或與太陽能耦合）對南方建築製冷采暖空調、熱水供應、溫控農業，對替代常規商品能源，改善能源結構，保障能源安全，建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展有著非常重要的作用。
五、地源熱泵的特點和優勢
（1）地源熱泵是一種可再生能源的利用形式，它是對地表淺層的低溫熱源和太陽能進行的利用，不受地域、資源、季節、氣候、日夜時段等限製，真正是量大麵廣、穩定可靠而且清潔無汙染的一種可再生能源，符合可持續發展的能源發展觀。
（2）它的高效節能製熱係數一般在3～4、5這一數字中間段變化，而鍋爐僅為0、7～0、9，可比鍋爐節省70%以上的能源和30%～50%運行費用；在製冷方麵比一般的空調大約節能15%～20%。
（3）它比傳統空調要美觀得多，傳統的空調係統的換熱器一般在空氣中安放著，破壞建築的外觀；而地源熱泵把換熱器埋於地下，建築物外觀的完美是不會被打破的。
（4）鍋爐在保護環境設備的運行方麵不需要擔心，沒有燃油、燃煤汙染。土壤源地源熱泵隻從地下取熱或散熱，不取地下水，地下水位下降、地麵沉降等一係列問題是不會出現的，它對生態合理利用的可再生能源的方式具有保護作用。
（5）多功能、係統控製和管理方便。一套係統可以替換原有的供熱鍋爐、製冷空調和生活熱水加熱的三套裝置或係統。
（6）熱泵的壽命長，耐用。它的效益是很明顯的，一個熱泵大概能用15年，而地源熱泵的地下換熱器由於采用高強度惰性材料，它在地下最少能持續使用50年。
六、地源熱泵的應用條件
地源熱泵係統簡介：地源熱泵GSHP技術其實是一種利用淺層地熱資源的技術，這種技術不僅能供熱而且能製冷，並且高效節能。熱泵的理論基礎源於卡諾循環，與製冷機相同，按照逆循環工作。熱泵消耗較少量的高質能Ｗ通過循環從低溫環境(溫度為Ｔ0)中吸取大量的低溫熱ＱL，輸出熱量為ＱH=Ｗ+ＱL(用熱溫度為Ｔ2),從而回收利用了低溫熱ＱL。因為它全年的地溫波動小，具有冬暖夏涼的特點。自然低溫熱量在冬季從地表淺層被吸出，相反，熱量在夏季從上麵進來，通過循環把熱量從低溫位提升到高溫位，為用戶提供冬季供暖、夏季製冷以及全年熱水供應。高品位能源在係統裏用到的很少，熱能效果大部分就是從這裏來的，這個方麵可以看出它高效、環保、節能，並且它是一種溫控係統。
地源熱泵係統有兩個組成部分，分為室內部分和室外部分。室內部分包括熱泵機組和風道係統或風機盤管係統，與傳統空調係統相似。地熱能熱交換的部分也就是室外部分，埋地管係統、地表水係統和地下水係統三種形式就是它的表現形式。埋地管將閉環循環水埋於地表淺層土壤之中，循環水經水管壁麵直接與土壤進行熱量交換。夏季循環水通過製冷機組吸收的熱量進行散熱，冬季從土壤吸熱並將熱量經熱泵機組傳遞至室內。垂直埋管、水平埋管和螺紋盤管就是埋地管係統的三種形式。
天然蒸汽(幹蒸汽和濕蒸汽)和地下熱水是可以把地下熱能帶到地麵並用於發電的兩種氣體。
早在1904年，首次用地熱驅動075馬力的小發電機投入運轉的是意大利托斯卡納的拉德瑞羅，並提供5個100瓦的電燈照明，隨後建造了第一座500千瓦的小型地熱電站。地熱能是來自地球深處的可再生熱能，它起源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變。極深處的岩漿是地下水深處的循環到地殼後才形成的，熱量就是這一時刻從地下深處來到表層的。地熱能的儲量比人們所利用的能量總量還要多，大部分集中分布在構造板塊邊緣一帶。地熱能不光是一種無汙染的清潔能源，在熱量提取速度不大於補充速度時，地熱發電熱能相對來說是可再生的。隨著化石能源的緊缺、環境壓力的加大，人們對於清結可再生的綠色能源越來越重視，但地熱能在很久以前就被人類所利用了。早在20世紀40年代，意大利的皮也羅·吉諾尼·康蒂王子在拉德雷羅首次把天然的地熱蒸汽用於發電。地熱發電，是利用液壓或爆破碎裂法將水注入到岩層中，產生高溫水蒸氣，然後將蒸汽抽出地麵推動渦輪機轉動，從而發電。在這個過程中，將一部分未利用的蒸汽或者廢氣經過冷凝器處理還原為水回灌到地下，循環往複。簡而言之，地熱發電實際上就是把地下的熱能轉變為機械能，然後再將機械能轉變為電能的能量轉變過程。地熱資源依據不同的溫度可以分為4種基本的發電方式，它們分別是直接蒸汽發電法、擴容（閃蒸法）發電法、中間介質（雙循環式）發電法和全流循環式發電法。大約在一百年前，人們就發現了地熱發電，像新西蘭、菲律賓、美國、日本等國都先後加入了地熱發電的行列，並且都獲得了成功。其中，美國地熱發電的裝機容量居世界首位。在美國，大部分的地熱發電機組都集中在蓋瑟斯地熱電站。蓋瑟斯地熱電站位於加利福尼亞州舊金山以北約20千米的索諾馬地區。1920年在該地區發現溫泉群、噴氣孔等熱顯示，1958年投入多個地熱井和多台汽輪發電機組，1985年時已經有1361兆瓦的電站裝機容量。自20世紀70年代開始，國家科委製定了一係列的研究目標和研究項目，地熱電站在中國各地像雨後春筍般出現了。
七、地熱種類
目前的地熱資源有地熱發電蒸汽型和熱水型兩類，這兩類是正在開發的，所以，地熱發電也有兩大類。一次蒸汽法和二次蒸汽法就是地熱蒸汽發電的兩種形式。
一次蒸汽法：直接利用地下的幹飽和（或稍具過熱度）蒸汽，或者利用從汽、水混合物中分離出來的蒸汽發電方法就是一次蒸汽法。
二次蒸汽法：二次蒸汽法有兩層意思，天然蒸汽（一次蒸汽）不會被直接利用，但卻是在換熱器的輔助下讓它可以汽化潔淨水，再利用潔淨蒸汽（二次蒸汽）發電。它的另一層意思就是，將從第一次汽水分離出來的高溫熱水進行減壓擴容生產二次蒸汽，壓力仍高於當地大氣壓力，和一次蒸汽分別進入汽輪機發電。地熱水中的水，按常規發電方法是不能直接送入汽輪機去做功的，必須以蒸汽狀態輸入汽輪機做功。現在處理溫度不到100℃的非飽和態地下熱水發電，可以在真空中對其利用，使進入擴容器的地下熱水減壓汽化，產生低於當地大氣壓力的擴容蒸汽，然後將汽和水分離、排水、輸汽充入汽輪機做功，這種係統稱“閃蒸係統”。低壓蒸汽的比容很大，因而使氣輪機的單機容量受到很大的限製。但在運行過程中比較安全。像氯乙烷、正丁烷、異丁烷和氟利昂都是發電的一種中間工質，換熱器能加熱地下熱水，對於低沸點物質的汽化也很有利，這時所產生的氣體就能在發電機中進行做功了。
混合蒸汽法：有一個新的被命名為聯合循環地熱發電係統，已經在世界一些國家進行了試驗，而且有非常好的效果，這個新的地熱發電係統就是地熱蒸汽發電和地熱水發電的合並。
地熱蒸汽發電係統：其實，電能就是利用地熱蒸汽推動汽輪機運轉產生的。本係統技術成熟、運行安全可靠，是地熱發電的主要形式。這種形式在西藏羊八井地熱電站也有采用。
雙循環發電係統：有機工質朗肯循環係統也就是雙循環發電係統，它以低沸點有機物為工質，使工質在流動係統中從地熱流體中獲得熱量，並產生有機質蒸汽，汽輪機旋轉就自然而然地成功了。
全流發電係統：它是一個將地熱井口的全部流體，以及所有的蒸汽、熱水、不凝氣體及化學物質等，在沒有處理的情況下直接送進全流動力機械中膨脹做功，其後排放或收集到凝汽器中。地熱流體的全部能量就是在這種形式下產生的。不過，它的技術存在發展瓶頸，研究人員還在努力。
幹熱岩發電係統：美國人莫頓和史密斯在1970年提出了利用地下幹熱岩體發電這一想法。1972年，他們在新墨西哥州北部打了兩口約4000米的深斜井，從一口井中將冷水注入到幹熱岩體，自岩體加熱產生的蒸汽是從另一口井中獲得的，它的功率是2300千瓦。此外，日本、英國、法國、德國和俄羅斯也紛紛努力研究幹熱岩發電的技術。不過，到現在幹熱岩還沒有得到廣泛應用。
八、係統利用
直接利用是國外對地熱能的非電力利用，人們很重視這方麵。由於進行地熱發電，熱效率一般很低，故對溫度的要求高。所謂熱效率低，就是說，由於地熱類型和所采用的汽輪機類型的不同，熱效率一般隻有6、4%～18、6%，大部分的熱量被白白地消耗掉。所謂溫度要求高，就是說，利用地熱能發電，對地下熱水或蒸汽的溫度要求一般都要在150℃以上。否則，將嚴重地影響其經濟性。但是地熱能的直接利用，既可以使能量的損耗比之前的小，也對地下熱水的溫度要求低很多，隻要不超過15℃～180℃這樣的溫度範圍都是行得通的。中低溫地熱資源在眾多的地熱資源中分布很豐富，相比高溫地熱資源它是比較大的。但是，地熱能的直接利用也有其局限性，由於受載熱介質熱水輸送距離的製約，一般來說熱源不宜離用熱的城鎮或居民點過遠。不然，投資多，損耗大，經濟性差，是劃不來的。地熱能的直接利用發展早就體現出來了，在工業加工、民用采暖和空調、洗浴、醫療、農業溫室、農田灌溉、土壤加溫、水產養殖、畜禽飼養等地熱發電這些方麵人們早就了如指掌了。
它的每個方麵，經濟技術效益都是很好的，大大地節省了能源。一般對地熱能的直接利用，不需要很高的技術條件，設備也是簡易可行的。在直接利用地熱的係統中，盡管有時因地熱流中的鹽和泥沙的含量很低而可以對地熱加以直接利用，但通常都是用泵將地熱流抽上來，通過熱交換器變成熱氣和熱液後再使用。這些係統都是最簡單的，使用的是常規的現成部件。地熱能直接利用中所用的熱源溫度大部分都在40℃以上。如果利用熱泵技術，溫度為20℃或低於20℃的熱液源也可以被當作一種熱源來使用（例如美國、加拿大、法國、瑞典及其他國家的做法）。熱泵的工作原理與家用電冰箱相同，隻不過電冰箱實際上是單向輸熱泵，而地熱熱泵則可雙向輸熱。冬季，它從地球提取熱量，然後提供給住宅或大樓（供熱模式）；夏季，它從住宅或大樓提取熱量，然後又提供給地球蓄存起來（空調模式）。其實，任何一種循環，蓄存起來的水都是經過加熱的，一個獨立熱水加熱器的全部或部分功能就是通過這樣一種方法發揮的。因為電流隻是用來傳熱的，它本身卻不能產生熱，所以，地熱泵提供的能量一般高於自身消耗能量的3～4倍，它可以在很寬的地球溫度範圍內使用。在美國，地熱泵係統每年以20%的增長速度發展，而且未來還將以兩位數的良好增長勢頭繼續發展。據美國能源信息管理局預測，到2030年，地熱泵將為供暖、散熱和水加熱提供高達68公噸油當量的能量。對於地熱發電來說，如果地熱資源的溫度足夠高，利用它的最好方式就是發電。發出的電既可供給公共電網，也可為當地的工業加工提供動力。正常情況下，它被用於基本負荷發電。隻在特殊情況下，才用於峰值負荷發電。其理由，一是對峰值負荷的控製比較困難，再就是容器的結垢和腐蝕問題，一旦容器和渦輪機內的液體不滿，讓空氣進入，就會出現結垢和腐蝕問題。地熱能直接利用於烹飪、沐浴及暖房已有悠久的曆史。至今地熱發電——地熱泵、天然溫泉與人工開采的地下熱水，仍被人類廣泛使用。曾經有聯合國的有關部門進行過預測，地熱發電遠沒有世界地熱水的直接利用多。中國在世界上的地熱水直接利用排在了第一，排第二的是日本。地熱水有著非常廣泛的直接用途，它在采暖空調、工業烘幹、農業溫室、水產養殖、溫泉療養保健等方麵的應用是比較廣的。